A eletrônica é um campo de estudo que se preocupa com o uso de elétrons e seus efeitos em dispositivos, sistemas e circuitos eletrônicos. A eletricidade é uma das principais fontes de energia para dispositivos eletrônicos, e sua forma de transmissão pode ser tanto corrente alternada (CA) quanto corrente contínua (CC).

Apesar de ambas serem usadas em muitos dispositivos eletrônicos, elas possuem diferenças significativas em suas características e aplicações.

Neste artigo, vou explorar as diferenças entre a corrente alternada e a corrente contínua em eletrônica, abordando suas características, aplicações e vantagens e desvantagens de cada uma.

O que é Corrente Contínua

A corrente contínua (CC ou DC, em inglês) é um tipo de corrente elétrica que flui sempre em uma direção constante. Isso significa que os elétrons se movem em uma direção constante, ao contrário da corrente alternada (CA ou AC, em inglês), em que os elétrons mudam de direção periodicamente.

A corrente contínua é utilizada em muitos dispositivos eletrônicos, como baterias, fontes de alimentação e circuitos de controle, e é geralmente considerada mais estável do que a corrente alternada. Ela pode ser gerada por meio de diversas técnicas, como a conversão de corrente alternada em corrente contínua por meio de retificadores, ou por meio da utilização de células solares.

Gráfico da Corrente Contínua.
Gerado com Python e biblioteca matplotlib.

Exemplos de geradores de corrente contínua

Alguns exemplos de geradores de corrente contínua incluem:

• Baterias: As baterias são uma das formas mais comuns de gerar corrente contínua. Elas podem ser recarregáveis ou não recarregáveis, e são utilizadas em uma ampla variedade de dispositivos eletrônicos, desde lanternas e brinquedos até laptops e carros elétricos.
• Dínamos: Dispositivo mecânico utilizado para gerar energia elétrica a partir da conversão de energia mecânica em energia elétrica. Ele é composto por um rotor giratório, que geralmente é conectado a um eixo, e um estator estacionário, que é composto por bobinas de fio de cobre.
  Quando o rotor gira, ele cria um campo magnético variável que induz uma corrente elétrica nas bobinas do estator.
• Célula Solar: Dispositivo que converte a energia da luz em energia elétrica. Também conhecida como célula fotovoltaica, a célula solar é feita de materiais semicondutores, como silício, que absorvem a luz e liberam elétrons. Esses elétrons são coletados por fios conectados à célula solar, formando uma corrente elétrica.
  São usadas para gerar eletricidade em aplicações que vão desde pequenos dispositivos eletrônicos até grandes usinas solares. Trata-se de uma fonte de energia limpa e renovável, já que não emite poluentes e não produz resíduos.

Conjunto de baterias alcalinas

Onde a Corrente Contínua é utilizada

A eletricidade, na forma de corrente contínua, é empregada diretamente em muitas aplicações de importância, como por exemplo:

• Controle Remoto de TVs e aparelhos de som
• Lanternas
• Smartphones
• Veículos elétricos e híbridos
• Microcontroladores, como o Arduino
• Smart TVs (alimentadas com CA, que é convertida para CC)

entre outros.

O que é Corrente Alternada

A Corrente Alternada (CA) é um tipo de corrente elétrica que muda de direção de forma periódica. Ela é caracterizada por uma variação constante no tempo e é comumente utilizada para a transmissão e distribuição de energia elétrica em redes de energia.

Esse tipo de corrente elétrica é produzida em geradores elétricos que consistem em um rotor giratório e um estator estacionário. A mudança na direção da corrente elétrica é produzida pela variação do campo magnético em torno do estator.

A frequência da corrente alternada é medida em Hertz (Hz), que é o número de ciclos completos da corrente elétrica que ocorrem por segundo.

No Brasil, a corrente alternada tem uma frequência padrão de 60 Hz e uma tensão de 127 ou 220 volts, dependendo da região. A corrente alternada é amplamente utilizada em aparelhos domésticos, industriais e comerciais, como ar-condicionado, geladeiras, computadores, motores elétricos e muitos outros dispositivos elétricos.

Gráfico da Corrente Alternada – um ciclo completo.
Gerado com Python e biblioteca matplotlib.

Exemplos de geradores de corrente alternada

Alguns exemplos de geradores de corrente alternada são:

• Geradores de usinas hidrelétricas – Tipo de gerador muito comum no Brasil que utiliza a energia cinética da água (em usinas hidrelétricas) para girar as turbinas e produzir energia elétrica de corrente alternada.
• Geradores de usinas termelétricas – Esses geradores usam a energia térmica gerada pela queima de combustíveis fósseis, como carvão, óleo ou gás natural, para aquecer água e produzir vapor. O vapor é então usado para girar as turbinas que geram energia elétrica de corrente alternada.
• Geradores eólicos – Usam a energia cinética do vento para girar as pás das turbinas e produzir energia elétrica de corrente alternada.
• Geradores de turbinas a gás – Empregam a energia térmica gerada pela combustão de gás natural ou outros combustíveis para girar as turbinas e produzir energia elétrica de corrente alternada.
• Geradores de automóveis – Os alternadores de automóveis são exemplos de geradores de corrente alternada que convertem a energia mecânica do motor em energia elétrica de corrente alternada para carregar a bateria e alimentar os sistemas elétricos do veículo.

Onde a Corrente Alternada é utilizada

Já a corrente alternada é empregada diretamente em diversas outras aplicações, como por exemplo:

• Transmissão de energia para as redes elétricas residencial e industrial
• Motores elétricos de alta potência
• Chuveiros elétricos
• Ferro de passar e secador de cabelos
• Refrigeradores
• Alimentação de equipamentos que funcionam com CC, por meio de retificação (conversão de CA para CC)

entre outros.

Diferenças entre CA e CC

A principal diferença entre corrente alternada (AC) e corrente contínua (DC) é a direção do fluxo de elétrons. Na corrente alternada, os elétrons mudam de direção periodicamente, enquanto na corrente contínua eles fluem sempre em uma direção.

A corrente alternada é usada para transportar energia elétrica de grandes centrais geradoras para casas e edifícios. A eletricidade gerada é transmitida através de fios de alta tensão para minimizar perdas de energia, e depois transformada em tensões menores antes de ser usada. A corrente alternada também é usada em dispositivos elétricos que exigem uma corrente que muda de direção, como motores elétricos.

Já a corrente contínua é usada em eletrônica, telecomunicações e tecnologia da informação, pois é mais fácil de controlar e fornece energia mais estável. A corrente contínua é gerada por baterias e células solares, e é usada em dispositivos eletrônicos como smartphones, laptops e outros dispositivos portáteis.

Gráfico comparativo entre corrente alternada e corrente contínua.
Gerado com Python e biblioteca matplotlib.

Vantagens e desvantagens da corrente alternada e da corrente contínua

A corrente alternada (CA) e a corrente contínua (CC) têm vantagens e desvantagens distintas, que dependem do tipo de aplicação para a qual são utilizadas. Aqui estão algumas das principais vantagens e desvantagens de cada uma:

Vantagens da corrente alternada:

• A CA é mais eficiente em termos de transmissão de energia de longa distância, pois pode ser transmitida a uma tensão mais alta do que a CC.
• Ela pode ser facilmente transformada em diferentes níveis de tensão usando um transformador, o que é útil em aplicações como fornecimento de energia elétrica para residências e empresas.
• Os geradores de CA são mais simples e mais baratos de produzir do que os geradores de CC.

Desvantagens da corrente alternada:

• A CA é menos eficiente em termos de armazenamento de energia em baterias do que a CC.
• Também pode ser perigosa em aplicações de alta tensão, pois pode causar descargas elétricas e arcos elétricos.
• Além disso, a corrente alternada pode ser mais difícil de controlar do que a corrente contínua em algumas aplicações.

Vantagens da corrente contínua:

• A corrente contínua é mais eficiente em termos de armazenamento de energia em baterias do que a alternada.
• Ela é mais fácil de controlar em aplicações eletrônicas, pois sua polaridade não muda.
• No geral, a corrente contínua é mais segura em aplicações de baixa tensão do que a corrente alternada.

Desvantagens da corrente contínua:

• Ela não é eficiente para transmissão de energia elétrica em longas distâncias, pois perde energia no caminho.
• Também pode ser mais difícil e mais cara de transformar em diferentes níveis de tensão do que a CA.
• Os geradores de CC são mais complexos e mais caros de produzir do que os geradores de CA.

Retificação de CA

Retificação de corrente alternada é o processo de conversão de tensão AC em tensão DC (corrente contínua), para alimentação de circuitos que somente funcionam com este tipo de corrente, como circuitos baseados em semicondutores.

Existem dois tipos principais de retificadores: retificador de meia onda e retificador de onda completa.

Em um retificador de meia onda, apenas metade da forma de onda CA passa, enquanto a outra metade é bloqueada. Isso é obtido usando um diodo semicondutor, que permite apenas que a corrente flua em uma direção.

Quando o semiciclo da corrente alternada é positivo, o diodo conduz e a corrente flui através do circuito. Quando o semiciclo é negativo, o diodo bloqueia o fluxo de corrente. A saída de um retificador de meia onda é uma tensão CC com uma forma de onda pulsante que sobe e desce com os picos positivos da forma de onda CA.

Um retificador de onda completa, por outro lado, permite que ambas as metades da forma de onda CA sejam usadas. Isso é obtido usando quatro diodos dispostos em uma configuração específica, como por exemplo uma ponte de diodos.

A tensão CA de entrada é aplicada em dois diodos, enquanto a tensão CC de saída é aplicada nos outros dois diodos. O resultado é uma tensão CC com uma forma de onda mais suave que se aproxima muito de uma corrente contínua pura.

Diagrama esquemático de um circuito retificador de onda completa com ponte de diodos.

A retificação é usada em muitos dispositivos eletrônicos, incluindo fontes de alimentação para equipamentos eletrônicos e carregadores de bateria. O processo de retificação é essencial nesses dispositivos, pois permite a conversão da energia alternada em tensão contínua que pode ser usada para alimentar esses dispositivos.

Em suma, o objetivo do processo de retificação é converter a tensão alternada, que muda de polaridade periodicamente, em uma tensão contínua unidirecional, que flui em apenas uma direção.

Resumo

Em resumo, a diferença fundamental entre corrente alternada e corrente contínua é a direção do fluxo de elétrons. A corrente alternada é usada para transportar energia elétrica em longas distâncias, enquanto a corrente contínua é usada em dispositivos eletrônicos e sistemas de controle.

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Temos aqui três conceitos de eletricidade que comumente causam confusão aos estudantes de eletrônica e disciplinas correlatas: Resistência Elétrica, Reatância e Impedância. Os três conceitos se referem à oposição oferecida em um circuito ou componente à passagem da corrente elétrica, mas eles ocorrem em situações distintas, com efeitos diferentes, e aplicações muito interessantes na construção de circuitos eletrônicos.

Sendo assim, qual a diferença entre resistência, reatância e impedância? É a essa pergunta que responderemos neste artigo.

Começamos definindo sucintamente cada um dos conceitos apresentados.

O que é Resistência Elétrica

Em um material condutor qualquer, os elétrons livres colidem frequentemente com outros elétrons, íons e impurezas dentro da grade cristalina do material, o que limita seu movimento pelo condutor – há uma “resistência” a esse deslocamento de cargas.

Desta forma, definimos a resistência elétrica como a “dificuldade oferecida por um condutor à passagem da corrente elétrica“.

A resistência é medida em ohms (em homenagem ao físico Georg Simon Ohm) e é representada pela letra R. Trata-se de uma medida da oposição que um material apresenta ao fluxo de corrente elétrica contínua (DC). A resistência elétrica depende das características físicas do material, como a geometria, a temperatura e a composição química.

Se soubermos os valores de tensão e corrente elétrica podemos calcular facilmente a resistência elétrica em um circuito usando a fórmula da Lei de Ohm:

U = R x I

Onde:

• U é a tensão elétrica, em Volts
• R é a resistência, em ohms
• I é a corrente elétrica, em ampères.

Resistor, componente que apresenta resistência elétrica como característica.

O que é Reatância

A reatância (X) é uma resistência aparente à passagem de corrente alternada em um dispositivo. Assim, trata-se de uma oposição à passagem da corrente elétrica oferecida por um componente como um indutor (bobina) ou um capacitor, sem a dissipação de energia.

A reatância capacitiva é a oposição que um capacitor apresenta à passagem de corrente elétrica alternada. Ela depende da capacitância do componente e da frequência da corrente alternada. A reatância capacitiva é representada pela sigla X_c.

Já a reatância indutiva é a oposição que uma bobina apresenta à passagem de corrente elétrica alternada. Ela depende da indutância do componente e da frequência da corrente alternada. A reatância indutiva é representada pela sigla X_l.

De forma análoga à resistência, a reatância é medida em ohms (Ω), e podemos calculá-la facilmente usando fórmulas que levam em conta a frequência da corrente alternada que atravessa o dispositivo e sua característica particular, seja ela a indutância ou a capacitância (ou ambas!).

Por exemplo, a reatância em um indutor, chamada de reatância indutiva, é calculada com a fórmula:

X_L = 2πfL

onde f é a frequência da corrente alternada em Hertz e L é a indutância do indutor em Henries.

E a reatância em um capacitor, chamada de reatância capacitiva, pode ser calculada com:

X_C = 1/(2πfC)

onde f é a frequência da corrente alternada em Hertz e C é a capacitância do capacitor em Farads.

Circuito contendo um indutor e, consequentemente, que apresenta reatância indutiva

O que é Impedância

E quanto à impedância?

A impedância é uma medida da oposição total que um circuito elétrico ou eletrônico apresenta à passagem de corrente alternada (AC). É uma propriedade elétrica que leva em consideração a resistência elétrica, a reatância capacitiva e a reatância indutiva de um circuito.

Trata-se de é uma propriedade importante em circuitos de corrente alternada, pois determina a quantidade de corrente elétrica que pode fluir pelo circuito. Quanto maior a impedância, menor a corrente elétrica que pode passar pelo circuito. A impedância é medida em ohms e é representada pela letra Z. 

A impedância também é importante para o cálculo de potência em circuitos de corrente alternada, pois a potência elétrica é igual ao quadrado da corrente elétrica multiplicado pela impedância. Isso significa que, em um circuito com alta impedância, é possível ter uma potência elétrica significativa, mesmo com uma corrente elétrica relativamente baixa.

Em resumo, a impedância é uma medida da oposição que um circuito elétrico ou eletrônico apresenta à passagem de corrente elétrica alternada. É uma propriedade que leva em consideração a resistência elétrica, a reatância capacitiva e a reatância indutiva de um circuito e é importante para determinar a quantidade de corrente elétrica que pode fluir pelo circuito e para o cálculo de potência em circuitos de corrente alternada.

Como calcular a impedância em um circuito?

O cálculo da impedância de um circuito elétrico ou eletrônico depende das características dos componentes presentes no circuito. A impedância é uma propriedade que leva em consideração a resistência elétrica, a reatância capacitiva e a reatância indutiva do circuito.

Para calcular a impedância de um circuito em série, é necessário seguir os seguintes passos:

1. Identifique todos os componentes presentes no circuito, incluindo resistores, capacitores e indutores.
2. Calcule a resistência elétrica total do circuito, somando todas as resistências presentes no circuito. Se houver um resistor em série com um capacitor ou um indutor, a resistência equivalente será a soma da resistência e da reatância do componente.
3. Calcule a reatância capacitiva do circuito, utilizando a fórmula X_C = 1/(2πfC), onde f é a frequência da corrente alternada em Hertz e C é a capacitância do capacitor em Farads.
4. Calcule a reatância indutiva do circuito, utilizando a fórmula X_L = 2πfL, onde f é a frequência da corrente alternada em Hertz (Hz) e L é a indutância do indutor em Henries (H).
5. Calcule a impedância total do circuito, utilizando a fórmula Z = √(R² + (X_L – X_c)²), onde R é a resistência elétrica total do circuito, X_l é a reatância indutiva do circuito e X_c é a reatância capacitiva do circuito. Esta fórmula é para um circuito em série. A fórmula da impedância varia dependendo dos elementos presentes no circuito, e da forma como estão interligados.

O Alto-falante é um componente que apresenta impedância característica.

Após calcular a impedância total do circuito, é possível determinar a quantidade de corrente elétrica que pode fluir pelo circuito e a quantidade de potência elétrica que pode ser dissipada pelos componentes. Esse cálculo é fundamental para o projeto e análise de circuitos elétricos e eletrônicos.

Exemplo

Vamos resolver um exercício bem simples relacionado á impedância de um circuito.

Um gerador de corrente alternada com frequência de 100 Hz alimenta um circuito que possui um capacitor de 50μF, uma bobina de 1H e um resistor de 100 Ω ligados em série.

Calcule a impedância desse circuito.

Circuito RLC em série

Resolução

Assim, temos que:

Portanto, a impedância total do circuito apresentado é de 604,79 Ω.

Resumo

Em resumo, enquanto a resistência elétrica é a oposição que um material apresenta ao fluxo de corrente elétrica contínua (DC), a reatância é a oposição que um componente apresenta ao fluxo de corrente elétrica alternada (AC).

A reatância capacitiva é a oposição que um capacitor apresenta à corrente alternada e a reatância indutiva é a oposição que uma bobina apresenta à corrente alternada.

Já a impedância é uma medida total da oposição que um circuito elétrico ou eletrônico apresenta à passagem de corrente elétrica alternada e leva em consideração tanto a resistência elétrica quanto a reatância capacitiva e a reatância indutiva.

Referências

Scherz P., Monk S. Practical Electronics for Inventors 3. Ed. Editora McGraw-Hill

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Vamos treinar cálculos que envolvam corrente elétrica, tensão elétrica e resistência? A seguir estão disponibilizados alguns exercícios sobre a Lei de Ohm – que você pode revisar clicando aqui – para que você possa estudar e treinar a resolução de problemas simples de eletricidade e eletrônica.

A Primeira Lei de Ohm define que a resistência de um material é uma razão entre a tensão aplicada sobre ele e a corrente elétrica resultante, originando a fórmula:

Onde R é a resistência, em ohms, U é a tensão elétrica, em volts, e I é a corrente elétrica, em ampères.

As respostas de cada exercício estão no final do artigo, juntamente com uma resolução passo-a-passo e comentada.

Bons estudos!

Exercício 01

Um resistor de 120 Ω é percorrido por uma corrente elétrica de 40 mA. Qual será o valor da tensão elétrica (ddp) entre os terminais desse componente?

1. 16 V
2. 1,2 V
3. 40 x 10-3 V
4. 0,333 V
5. 4,8 V

Exercício 02

Um resistor em um circuito, quando submetido a uma tensão elétrica de 110 V, é atravessado por uma corrente de intensidade igual a 16 A. Quando a corrente que o atravessa for igual a 10 A, a tensão, em volts, nos terminais do componente, será de:

1. 80 V
2. 68,75 V
3. 16,10 V
4. 14,54 V
5. 94,00 V

Exercício 03

Um resistor de resistência R, ao ser submetido a uma tensão elétrica U, passa a ser percorrido por uma corrente I. O valor da corrente elétrica neste circuito, se a tensão elétrica for o triplo do valor inicial e o resistor for trocado por um outro componente cuja resistência seja cinco vezes maior que a do componente original, será de:

1. 3I/2
2. 3I
3. I/6
4. 3I/5
5. 5I

Exercício 04

Considere o circuito a seguir:Qual será a corrente elétrica que atravessa a lâmpada LMP1, de acordo com os valores de tensão e resistência indicados no diagrama esquemático indicados?

Exercício 05

Determine a corrente elétrica que flui por um resistor de 100 kΩ quando ele é submetido a uma tensão elétrica de 220 V.

1. 0,2202 A
2. 100 A
3. 22000 nA
4. 0,0022 A
5. 22 mA

Exercício 06

Um fio de cobre, de 1,50 m de comprimento, é atravessado por uma corrente de 3A ao ser ligado a uma fonte de 18V.
Calcule a corrente que atravessa esse fio se ele tiver seu tamanho reduzido a 30 cm de comprimento.

Dica: lembre-se das regras que relacionam o diâmetro e o comprimento de um fio metálico com sua resistência elétrica (ôhmica).

Para revisar

Ficou confuso? Assista ao vídeo a seguir para rever o conceito da Lei de Ohm e ver exemplos resolvidos passo-a-passo:

Respostas

Exercício 01

Como U = R x I, temos que:

U = 120 Ω x 40 mA
U = 120 Ω x 0,040 A
 U= 4,8 V

Resposta: Alternativa ‘e’, 4,8 V

Exercício 02

Neste caso, U = 110 V e I = 16 A. Assim, a resistência do componente será de:

R = U / I =
R = 110 V / 16 A =
R = 6,875 Ω

Para este valor de resistência, quando a corrente que atravessa o componente for de 10 A, teremos:

U = R x I =
U = 6,875 Ω x 10 A =
U = 68,75 V

Resposta: Alternativa ‘b’, 68,75 V

Exercício 03

Temos que I = U / R. Assim, se triplicarmos a tensão elétrica e quintuplicarmos a resistência, teremos:

I_final = 3I_inicial / 5

Resposta: Alternativa ‘d’, 3I/5

Exercício 04

Aqui temos uma ddp de 24 V e uma resistência de 32 ohms. Para calcular a corrente elétrica que atravessa a lâmpada fazemos:

I = U / R
I = 24 V / 32 Ω
I = 0,75 A

Resposta: 0,75 A (ou 750 mA)

Exercício 05

Um resistor de 100 kΩ tem 100.000 Ω de resistência elétrica (o prefixo kilo- significa “vezes mil”). Com uma força eletromotriz de 220 V sendo aplicada sobre ele, a corrente que o atravessará será de:

I = U / R
I = 220 V / 100.000 Ω
I = 0,0022 A

O que equivale a 2,2 mA (basta multiplicar por mil para converter de A para mA).

Resposta: Alternativa ‘d’, 0,0022 A

Exercício 06

Aqui não precisamos aplicar a lei de Ohm para calcular a corrente. Basta lembrarmos que, se duplicamos o comprimento de um fio, sua resistência também duplica, e consequentemente, a corrente que o atravessa cai pela metade, visto que são grandezas inversamente proporcionais (quando a resistência aumenta, a corrente diminui, e vice-versa).

Neste exemplo o comprimento do fio cai de 1,5 m (150 cm) para 30 cm, que equivale a 0,3 m. Assim, o fio foi encurtado em:

1,5 m / 0,3 m = 5 vezes

Portanto, se o fio ficou 5 vezes mais curto, a corrente que o atravessa se tornará 5 vezes maior. Como a corrente inicial era de 3 A, teremos:

I_final = I_inicial x 5
I_final = 3 A x 5
I_final = 15 A

Resposta: 15A 

E aí, conseguiu acertar todos os exercícios sobre Lei de Ohm? Parabéns!

Caso ainda esteja em dúvidas, assista ao vídeo acima para revisar o conteúdo sobre Lei de Ohm em Eletrônica.

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Damos o nome de Reatância à oposição ao fluxo de corrente elétrica sem a dissipação de energia, de forma distinta da resistência elétrica, que também é uma oposição à passagem da corrente, porém com dissipação de energia na forma de calor.

A Reatância Indutiva (X_L) é a oposição à passagem da corrente elétrica oferecida por um indutor (como uma bobina), sem a dissipação de energia. De forma análoga à resistência, é medida em ohms (Ω), e podemos calculá-la facilmente empregando a fórmula a seguir:

X_L = 2πfL

onde:

• X_L é a reatância indutiva, expressa em ohms (Ω)
• 2π significa 2π radianos, ou 360°
• f é a frequência da corrente alternada que atravessa o indutor, em hertz (Hz)
• L é a indutância do indutor em henrys (H)

Arredondando, podemos tomar π como sendo igual a 3,14, e assim podemos usar a fórmula simplificada:

X_L = 6,28fL

Como podemos ver pela fórmula, a reatância indutiva é diretamente proporcional à frequência aplicada, pois frequências mais elevadas causam maior mudança de corrente no indutor, e com maior mudança de corrente, mais força contra-eletromotriz é gerada, a qual está em oposição (“reatância“) ao fluxo da corrente no indutor.

Se uma frequência de 0 Hz for aplicada (corrente contínua), não há mudança na corrente ao longo do tempo, de modo que a reatância indutiva será igual a zero.

A reatância indutiva também é diretamente proporcional à indutância do elemento, pois quanto maior a indutância, maior o campo magnético gerado e, consequentemente, maior a força contra-eletromotriz.

Vejamos alguns exemplos de cálculos envolvendo a reatância indutiva.

Exemplo 01

Qual o valor da reatância indutiva da bobina L mostrada na ilustração a seguir?

Resolução: Temos uma bobina cuja indutância informada é de 25 mH, sendo atravessada por uma corrente alternada de 3 A e frequência igual a 50 kHz. Aplicando a fórmula da reatância indutiva temos:

X_L = 2πfL => 2 x 3,14 x 0,025 x 50.000 =
7850 Ω ou 7,85 kΩ

Portanto, a reatância da bobina é de 7,85 kΩ.

Exemplo 02

Calcule o valor da corrente que flui no circuito a seguir:

Resolução: Temos aqui um circuito que consiste em uma fonte de tensão alternada de 10 V e 50 kHz, atravessando uma bobina cuja indutância é de 15 mH. Para calcular a corrente que a atravessa podemos aplicar a Lei de Ohm, usando o valor da reatância indutiva no lugar da resistência elétrica (ignorando outros fatores). Desta forma, calculamos primeiro a reatância da bobina:

X_L = 2πfL => 2 x 3,14 x 0,015 x 50.000 =
4710 Ω (4,71 kΩ)

Agora aplicamos a lei de Ohm:

I = V/X_L = 10 V / 4710 Ω = 2,12 mA

Portanto, a corrente que atravessa esta bobina é de 2,12 mA.

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Em circuitos eletrônicos é muito comum que dispositivos indutores, tais como bobinas, sejam associados entre si de várias formas, de modo a se obterem valores distintos de indutância combinada em pontos específicos do circuito, tendo essas associações diversas aplicações, como por exemplo a construção de um divisor indutivo.

As duas formas mais comuns de associação de indutores são a Associação em Série e a Associação em Paralelo, que estudaremos neste artigo.

Antes, porém, um ponto especial a se considerar quando tratamos de indutores: a associação de dispositivos que possuem como característica o fenômeno da indução pode ou não levar em conta a própria indução em si, que tem a capacidade de alterar o valor resultante da combinação dos dispositivos. Caso os indutores estejam posicionados muito próximos entre si, ocorre o fenômeno da indutância mútua,o qual irá causar alterações no valor final da indutância obtida pela associação. Porém, se os indutores não estiverem próximos o suficiente, então não haverá essa ação da indutância mútua, e a associação pode ser realizada (e calculada) de forma simples, como explicaremos aqui (e que é análoga à associação de resistores).

No próximo artigo vamos abordar a associação em série e em paralelo de indutores, levando em conta a indutância mútua. Aqui, veremos a associação sem nos preocuparmos com esse fenômeno.

Associação em Série de Indutores

Quando um circuito possui indutores associados em série, a indutância total do circuito será a soma das indutâncias individuais de cada indutor, desde que esses indutores estejam separados entre si por uma distância suficiente, que impeça que ocorra indutância mútua entre eles. Uma das principais aplicações da associação em série de indutores é a criação de divisores indutivos.

Associação em Série de Indutores

Fórmula

A fórmula para calcular a indutância equivalente em uma associação em série de indutores é:

L_eq = L₁ + L₂ + L₃ + … + L_n

Exemplo

Qual a indutância equivalente em uma associação de três bobinas em série, na qual as bobinas possuem respectivamente os valores de 220 mH, 470 mH e 1,2 H?

Abaixo temos o diagrama esquemático do circuito:

Resolução:

Aplicando a primeira fórmula para cálculo de indutores associados em série temos:

L_eq = 220 mH + 470 mH + 1200 mH = 1890 mH = 1,89 H

Portanto, a indutância equivalente deste circuito é de 1,89 henrys.

Associação em Paralelo de Indutores

Quando associamos dois ou mais indutores em paralelo, a tensão aplicada sobre cada indutor será a mesma, porém a corrente elétrica que atravessará cada dispositivo irá variar, dependendo da indutância individual de cada componente. A indutância total (equivalente) da associação em paralelo será sempre menor do que o valor do menor indutor presente.

Associação em Paralelo de Indutores

Fórmula

A fórmula para calcular a indutância equivalente em uma associação em paralelo (com os indutores separados entre si por uma distância suficiente) é:

Note que quando temos apenas dois indutores de mesmo valor associados em paralelo, sua indutância equivalente será exatamente a metade deste valor. Por exemplo, duas bobinas de 220 mH associados em paralelo resultam em uma indutância equivalente de 110 mH.

Caso tenhamos apenas dois indutores associados em paralelo, porém de valores diferentes, podemos também usar a fórmula simplificada a seguir:

Exemplo:

Qual a indutância resultante em uma associação de três bobinas em paralelo, na qual as bobinas possuem respectivamente os valores de 220 mH, 470 mH e 1,2 H?

Abaixo temos o diagrama esquemático do circuito:

Resolução:

Aplicando a primeira fórmula para cálculo de indutores associados em paralelo temos:

Portanto, a indutância resultante deste circuito é de 133,21 mH (milihenrys).

É isso aí! É possível criar associações de indutores mais complexas, combinando as associações em série e em paralelo, ou ainda levando em consideração a proximidade dos indutores associados, que sofrerá a influência da indutância mútua entre os elementos. Estudaremos essas formas de associação na próxima lição.

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Damos o nome de Indutância (ou Auto-Indutância) à propriedade que um condutor possui de induzir uma tensão elétrica em si mesmo (em outras palavras, armazenar energia) quando uma corrente elétrica que o atravessa muda no decorrer do tempo. O símbolo da indutância é a letra L, e sua unidade de medida é o Henry (H), em homenagem a Joseph Henry, que foi um cientista pioneiro na área do eletromagnetismo.

Um Indutor é um dispositivo projetado especificamente para apresentar um valor específico de indutância, a ser empregada na construção de um circuito eletro-eletrônico. Exemplos de dispositivos indutores incluem bobinas, choques de filtro e transformadores, entre outros.

Quanto vale um henry? Um H é a indutância que permite que um volt seja induzido quando a corrente que atravessa um indutor varia na taxa de um ampère por segundo.

Desta forma, temos que a fórmula básica da indutância é:

onde:

• L é a indutância, em henrys
• V_L é a tensão induzida sobre a bobina, em volts
• Δi/Δt é a taxa de variação da corrente elétrica, em A/s (ampères por segundo)

Vejamos um exemplo de cálculo de indutância usando essa fórmula.

Exemplo 01: Qual é o valor da indutância de uma bobina que induz uma tensão de 12 V quando a corrente que a atravessa varia de 5 para 15 A no período de 5 segundos?

Resolução: Temos que:

• VL = 12V
• Δi = 15 – 5 = 10A
• Δt = 5s
• Δi/Δt = 10 / 5 = 2A/s

Substituindo esses valores na fórmula temos:

Resposta: a indutância será de 6 henrys (L = 6H).

Exemplo 02: Uma bobina possui uma indutância de 200 μH. Qual o valor da tensão induzida nesta bobina quando a taxa de variação da corrente é de 1200 A/s?

Rearranjando os termos da fórmula básica da indutância para deixar em evidência a tensão elétrica temos:

Aplicando os valores na fórmula:

Resposta: A tensão induzida será de 0,24 volts.

Indutância Mútua

Quando a corrente elétrica em uma bobina muda, o fluxo variante pode cruzar um outro condutor que esteja localizado nas proximidades, induzindo corrente elétrica em ambos os condutores. Assim, uma corrente variável em uma bobina L1 induz tensão elétrica em uma bobina L2 e também em si própria, e a tensão induzida em L2 produz corrente, o que por sua vez induz tensão em L1 também.

Assim, dizemos que duas bobinas próximas possuem indutância mútua, pois a mudança de corrente em uma bobina induz tensão na outra, e vice-versa.

Indutância mútua entre duas bobinas L1 e L2

Vamos explorar esse conceito, que é relativamente mais complexo, em um artigo específico.

Características das Bobinas Indutoras

A indutância de uma bobina depende de uma série de fatores, como a forma como ela é enrolada, o material de seu núcleo, a espessura do fio empregado em sua construção, e o número de voltas do fio com a qual é enrolada, entre outras. Algumas das características físicas mais importantes das bobinas são as seguintes:

• A indutância aumenta com o aumento do número de voltas de fio ao redor do núcleo. Esse aumento ocorre na proporção quadrática, ou seja se o número de voltas de fio aumentar duas vezes, a indutância aumentará 2², ou seja, 4 vezes – desde que a área e comprimento da bobina permaneçam os mesmos.
• A indutância aumenta quando a permeabilidade relativa do material aumenta (μ).
• A indutância aumenta com o quadrado do diâmetro, pois com o aumento do diâmetro da bobina, a área do enrolamento aumenta.
• A indutância diminui com o aumento do comprimento da bobina, desde que o número de voltas de fio permaneça constante.

Como Calcular a Indutância de uma Bobina

Se considerarmos A como área da seção transversal de uma bobina, N o número de espiras (voltas de fio), μ a permeabilidade do material do núcleo da bobina, e l o comprimento da bobina (do início ao fim do enrolamento), podemos calcular sua indutância de forma aproximada usando a fórmula a seguir:

Onde:

• L é a indutância, em henrys (H)
• A é a área da seção transversal, em metros quadrados (m²)
• l é o comprimento do núcleo, em metros (m) 
• N é o número absoluto de voltas de fio
• μ é a permeabilidade

Exemplo 01: Calcular a indutância de uma bobina de 0,01 m² de área e comprimento de 0,001 m que possui 5 voltas de fio enrolado sobre um núcleo de níquel, cuja permeabilidade é de 6,28 x 10^-5.

Resolução:

Portanto, a indutância é de 15,7 mH.

Exemplo 02: Calcular a indutância de uma bobina de 0,1 m² de área e comprimento de 0,1 m que possui 10 voltas de fio enrolado sobre um núcleo de ferro fundido, cuja permeabilidade é de 1,1 x 10^-4.

Resolução:

Portanto, a indutância é de 11 mH.

A tabela a seguir mostra as permeabilidades de alguns materiais empregados na fabricação de núcleos de bobinas indutoras:

Perdas no Núcleo

Perdas no núcleo magnético são devidas a perdas por correntes parasitas e também por histerese. As correntes parasitas fluem em um caminho circular dentro do próprio material do núcleo e se dissipam na forma de calor no núcleo. A perda tem valor igual a I²R, onde R é a resistência do caminho através do núcleo. Quanto maior a frequência da corrente alternada na indutância, mais altas serão as correntes parasitas e maior também será a perda devido às correntes parasitas.

As perdas de histerese surgem por conta da energia adicional necessária para reverter o campo magnético em materiais magnéticos nos quais circula uma corrente alternada. As perdas por histerese geralmente são menores do que as perdas por correntes parasitas.

Para reduzir as perdas por correntes parasitas ao mesmo tempo em que mantemos a densidade do fluxo, o núcleo de ferro pode ser feito com
folhas laminadas isoladas umas das outras, grânulos isolados de ferro em pó comprimidos na forma de um sólido ou ainda usando ferrite. Bobinas de núcleo de ar praticamente não apresentam perdas por correntes parasitas ou histerese.

Na próxima lição vamos estudar a Reatância Indutiva em bobinas.

Referências

Gussow, M. Schaum´s Outline of Basic Electricity. Editora McGraw-Hill. 1983

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Neste artigo vamos explicar algumas das características de funcionamento dos diodos semicondutores. Um diodo é um dispositivo semicondutor de duas camadas, fabricado geralmente com silício, e às vezes com outros materiais, como germânio, arsênio ou selênio.

As duas camadas são dopadas com impurezas, como é comum em materiais semicondutores, sendo uma camada do tipo N e a outra camada, do tipo P, formando uma junção PN, conforme mostra a ilustração a seguir:

Junção PN

A camada do tipo N possui um excesso de elétrons, criando assim uma carga negativa geral no lado do catodo (negativo) do diodo. Já a camada P possui falta de elétrons, criando uma carga geral positiva, no lado do anodo do componente; essa falta de elétrons é chamada de “lacuna”, que são “espaços” que podem ser preenchidos com elétrons.

Polarização do Diodo

Conectando o terminal positivo de uma fonte de tensão externa ao anodo do diodo, e o terminal negativo ao catodo, teremos um diodo com Polarização Direta, e os elétrons e lacunas são forçados por repulsão mútua a se movimentarem em direção à linha de junção entre as camadas P e N.

Caso a diferença de potencial aplicada seja maior do que cerca de 0,7V (em um diodo de silício), que é a tensão de junção, cargas passarão pela junção, estabelecendo uma corrente elétrica.
Em outros tipos de diodos esse nível de tensão é diferente, como 0,3V em diodos de germânio e cerca de 0,2V em diodos Schottky.

Se o diodo for polarizado inversamente (negativo da fonte no anodo do diodo, e o positivo da fonte ligado ao catodo), teremos a chamada Polarização Reversa, e os elétrons e lacunas serão atraídos para longe da junção entre as camadas P e N, impedindo assim a circulação de corrente (até m certo limite). O espaço deixado pelas cargas é chamado de Região de Depleção.

Exemplo de Polarização de Diodos

No esquema acima, o diodo D1 está polarizado inversamente e D2 está polarizado diretamente (de acordo com o sentido convencional da corrente). Ou seja, neste circuito D2 está conduzindo ao passo que D1 está cortado.

Tensão de Joelho

Quando um diodo é polarizado diretamente, ele impõe uma pequena queda de tensão ao circuito, cujo valor será de cerca de 0,7V em diodos de silício, 0,3V em diodos de germânio, 0,2V em diodos Schottky, e entre 1,4 e 4V aproximadamente em LEDs, sendo essa energia dissipada na forma de calor.

Se a tensão direta aplicada exceder esse valor, a corrente que flui pelo dispositivo começa a aumentar muito rapidamente. Esse nível de tensão recebe o nome de Tensão de Joelho (V_K), a qual é igual à barreira de potencial.

Já quando a polarização é reversa, pode haver uma pequena passagem de corrente, conhecida como corrente de fuga, sendo essa corrente geralmente algo abaixo de 1mA, e podendo ser de apenas uns poucos μA, dependendo do tipo do diodo. Na prática, o diodo não conduz nessa situação.

Caso a tensão reversa for alta o suficiente, excedendo um determinado limite, o diodo alcançará sua Tensão de Ruptura (V_BR / Breakdown), e sua resistência efetiva cairá a zero, sendo nesse caso o componente provavelmente danificado de forma permanente pelo excesso de corrente.

O gráfico a seguir mostra o comportamento de diodos de silício e germânio em relação à tensão aplicada quando polarizados de forma direta (forward) e de forma reversa (reverse):

Polarização direta e polarização reversa de um diodo semicondutor. Imagem: Sparkfun. Licença CC BY-SA 4.0

Regiões de Operação de um Diodo 

De acordo com o exposto acima, temos que um diodo pode, no geral, operar em uma de três regiões distintas:

• Polarização direta (Forward Bias): a corrente flui através do diodo, desde que a tensão aplicada seja maior do que a tensão direta VF.
• Polarização Reversa (Reverse Bias): Modo “desligado”, quando não há passagem de corrente através do componente. A tensão aplicada é menor do que VF , porém maior do que -VBRM . O fluxo de corrente é (quase) totalmente bloqueado. Uma corrente extremamente pequena, chamada de Corrente de Saturação reversa, consegue atravessar o diodo em polarização reversa.
• Breakdown: Ruptura. Se uma tensão muito grande for aplicada inversamente no diodo, uma grande quantidade de corrente conseguirá fluir no sentido reverso (catodo para anodo). Isso pode inclusive danificar o diodo permanentemente.

Resistência de Corpo

Ao ultrapassarmos a tensão de joelho, a corrente que atravessa o diodo aumenta rapidamente. A partir desse ponto, a corrente é limitada somente pela resistência ôhmica das regiões P e N do dispositivo.

Chamamos de Resistência de Corpo (R_B) à soma das resistências ôhmicas as regiões P e N do diodo. Assim, temos:

RB = RP + RN

No geral, essa resistência é menor do que 1Ω, mas pode variar dependendo do tipo de diodo considerado, por conta de fatores como o tamanho das regiões p e n, nível de dopagem, etc.

Corrente Direta Máxima

Caso a corrente aplicada a um diodo seja muito elevada, ele poderá ser danificado por calor excessivo. Por conta disso, há um nível de corrente máxima que o diodo pode suportar com segurança quando polarizado diretamente. Esse nível é chamado de Corrente Direta Máxima, podendo ser representado como I_MAX, I_F(MAX) ou ainda de outras formas em um datasheet, dependendo do fabricante do componente.

Potência Nominal (P_D)

Trata-se da potência máxima que o diodo pode dissipar com segurança sem se danificar ou alterar suas propriedades. Pode ser definida como:

Pmáx = Vmáx . Imáx

Por exemplo, suponha um diodo cuja tensão direta máxima seja de 5V e com corrente máxima de 2A. Sua potência nominal será de:

5V x 2A = 10W

Ou seja, se esse diodo for submetido a uma potência maior do que 10 watts, muito provavelmente será danificado.

Nesta lição vimos algumas das características mais importantes e o modo de funcionamento básico de diodos semicondutores convencionais. No próximo artigo veremos alguns exemplos de circuitos simples que utilizam diodos, como retificadores e reguladores de tensão, aprofundando o estudo sobre seu funcionamento, de acordo com as características aqui explicadas.

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Neste post listaremos alguns dos fatos mais importantes e curiosos da história da eletricidade e do magnetismo, desde a Antiguidade Clássica até os dias de hoje. Os fatos estão listados em ordem cronológica, a maioria com o ano em que ocorreram indicado precisamente, e alguns com uma data aproximada, devido à incertezas cronológicas.

Cronologia

600 a.C – O filósofo grego Thales de Miletus (Tales de Mileto) descobriu que, ao esfregar um pedaço de âmbar em um pano de seda, esse âmbar se tornava carregado com uma energia invisível, e era capaz de atrair outros objetos. Essa energia é o que chamamos de Eletricidade Estática.

Tales de Mileto

1175 – O monge inglês Alexander Necken descreveu o funcionamento de uma bússola

1269 – O estudioso francês Peter Peregrinus escreveu ou primeiro tratado europeu contendo a descrição das propriedades dos ímãs, denominado Epistola de Magnete.

1600 – O médico e cientista inglês William Gilbert citou pela primeira vez a ideia de eletricidade e foi a primeira pessoa a pesquisar as propriedades da pedra-ímã (magnetita), de forma sistemática. Ele escreveu sobre a eletrificação de diversas substâncias e foi a primeira pessoa a empregar os termos “força elétrica”, “pólo magnético” e “atração elétrica”. Ele também repudiava a ideia corrente na época de que a Terra era o centro do Universo e sugeriu que o magnetismo era uma espécie de “alma” do planeta. Suas descobertas foram publicadas no livro De Magnete.

1660 – O físico, químico e filósofo irlandês Robert Boyle descobriu que a força elétrica podia ser transmitida através do vácuo, e estudou a atração e repulsão.

1675 – O químico inglês Stephen Gray fez a distinção entre materiais condutores e materiais não-condutores de cargas elétricas.

1742 – Uma edição da obra Principia, de Isaac Newton, foi publicada, incluindo uma nota no texto que demonstrava a lei do inverso do cubo, relacionada à força entre dois ímãs.

Isaac Newton

1750 – O geólogo inglês John Michell publicou a obra A Treatise on Artificial Magnets (Um Tratado sobre Ímãs Artificiais), na qual é descrito o processo de fabricação de ímãs de aço fortes, além de dissertar sobre as forças de atração e de repulsão dos ímãs.

1800 – O físico italiano Alessandro Volta inventou a primeira bateria química.

1809 – O inventor e químico inglês Sir Humphry Davy criou a primeira lâmpada elétrica, que consistia em um pedaço de carbono que emitia luz ao ser conectado por fios a uma bateria.

1820 – Hans Christian Oersted, na Dinamarca, André-Marie Ampère e François Arago, na França, de forma separada, confirmaram a relação existente entre a eletricidade e o magnetismo.
Oersted descobriu, acidentalmente, que uma corrente elétrica percorrendo um fio fazia com que a agulha de uma bússola colocada nas proximidades se movesse.

André Marie Ampère

1821 – O cientista inglês Michael Faraday publicou um importante trabalho sobre o princípio da rotação eletromagnética, o qual posteriormente seria importante para o desenvolvimento dos motores elétricos.

1826 – O físico e matemático alemão Georg Ohm definiu a relação entre potência, corrente, tensão e resistência elétricas nas Leis de Ohm.

Georg Ohm

1831 – Faraday provou que a eletricidade pode ser induzida por alterações em um campo eletromagnético. Também descreveu um motor elétrico, e realizou uma série de experimentos tentando provar que a eletricidade podia ser gerada a partir do magnetismo.

1832 – O fabricante de instrumentos francês Hippolyte Pixii construiu o primeiro magneto, um gerador elétrico manual que usava ímãs permanentes para produzir pulsos periódicos de corrente alternada. Este é considerado o primeiro gerador de corrente elétrica de uso prático.

1834 – O inventor americano Thomas Davenport inventa o motor elétrico, uma das mais importantes invenções na era da eletricidade.

1840 – O físico inglês James Prescott Joule pubica um estudo, On the Production of Heat by Voltaic Electricity, no qual ele descreve a quantidade de calor gerada por uma corrente elétrica que atravessa um condutor – a famosa Lei de Joule.

1844 – A primeira linha telegráfica oficial é completada nos Estados Unidos, e a primeira mensagem é enviada por Samuel Morse, seu inventor.

1845 – O físico alemão Gustav Kirchhoff apresenta suas leis de circuitos elétricos, a Primeira e a Segunda Leis de Kirchhoff.
Michael Faraday descobre uma forma de magnetismo diferente no bismuto, no vidro e outros elementos, que ele batiza de Diamagnetismo.

1486 – Em um ensaio curto, Michael Faraday sugere que a luz poderia ser um fenômeno eletromagnético.

Michael Faraday

1850 – O cientista Irlandês-Escocês William Thomson, mais conhecido como Lord Kelvin, apresenta os conceitos de suscetibilidade e permeabilidade magnéticas.

1851 – Lord Kelvin publica sua teoria geral da termoeletricidade.

1853 – Lord Kelvin deriva a fórmula para a energia magnética e desenvolve uma teoria do circuito RLC (Resistor-Indutor-Capacitor)

1858 – O físico e matemático alemão Julius Plücker descobre que forças magnéticas podem curvar os raios catódicos.
Um cabo elétrico telegráfico transatlântico é instalado com sucesso no leito do oceano. Funcionou durante seis meses.

1864 – O conjunto completo das equações do eletromagnetismo de Maxwell aparece em sua publicação On a Dynamical Theory of the Electromagnetic Field

1866 – O engenheiro francês Georges Leclanché inventa a bateria de célula seca, que ainda é empregada atualmente (de forma modificada).

1860 – 1870 – A teoria matemática dos campos eletromagnéticos foi publicada pelo físico teórico escocês James Clerk Maxwell, inaugurando uma nova era na física ao unificar o magnetismo, eletricidade e a luz. As quatro equações de Maxwell (quatro leis da eletrodinâmica) levaram à invenção posterior de tecnologias como a transmissão de energia elétrica, o rádio e a televisão, entre inúmeras outras.

1873 – O engenheiro inglês Willoughby Smith descobre a fotocondutividade ao observar que o elemento químico Selênio conduz a eletricidade melhor quando exposto à luz.
Neste mesmo ano, o físico escocês James Clerk Maxwell publica uma discussão detalhada de sua teoria do eletromagnetismo em sua obra Tratado sobre a Eletricidade e o Magnetismo.

1876 – O inventor americano Charles Brush inventou o dínamo de bobina aberta, um gerador capaz de produzir uma corrente elétrica constante.
Neste mesmo ano, o inventor Alexander Graham Bell recebe uma patente nos Estados Unidos por sua versão do telefone.

1878 – O físico e químico inglês Joseph Swan inventou a primeira lâmpada incandescente de bulbo (lâmpada elétrica). Porém, esse bulbo queimava rapidamente.

Joseph Swan

1879 – Thomas Edison, nos Estados Unidos, inventou uma lâmpada incandescente de bulbo, após realizar inúmeros experimentos. Sua lâmpada podia ser usada por cerca de 40 horas sem se queimar. Esta lâmpada foi sendo aperfeiçoada, e em 1880 já era capaz de durar mais de 1200 horas.

1880 – O físico alemão Emil Warburg descobre o efeito da Histerese, no qual materiais ferromagnéticos exibem um atraso na indução magnética logo após ocorrer uma mudança no campo magnetizante.
Neste ano também os físicos franceses Pierre e Paul-Jacques Curie demonstram experimentalmente a geração de eletricidade em determinados cristais, sujeitos à deformação mecânica. Esse efeito é chamado de Piezoeletricidade.

1881 – O físico alemão Hermann von Helmholtz ministra uma palestra em Londres, na qual argumenta que a eletricidade é dividida em partículas elementares, de forma similar ao átomo.
Neste mesmo ano a primeira estrada de ferro pública, construída por Siemens Halske, é aberta próximo a Berlim, na Alemanha.

1882 – A estação de energia Pearl Street é aberta em Nova Iorque por Thomas Edison. Foi uma das primeiras usinas de energia elétrica do mundo e tinha capacidade para alimentar até 5000 lâmpadas. Porém, a estação empregava corrente contínua, ao contrário da corrente alternada que usamos hoje em dia – e isso acarretava diversos tipos de problemas.

1883 – Nikola Tesla inventa a Bobina de Tesla, uma espécie de transformador que permitia aumentar uma tensão elétrica baixa, transformando-a em alta tensão, de modo a ser possível transportar energia por longa distâncias.
Neste mesmo ano, o engenheiro francês Léon Charles Thévenin publica um estudo que inclui o famoso teorema que leva seu nome – o Teorema de Thévenin; na prática, esse teorema havia sido desenvolvido muitos anos antes por Hermann von Helmholtz.

Nikola Tesla

1884 – Nikola Tesla inventa o alternador elétrico, que permite produzir corrente alternada. Até então, a energia elétrica era gerada exclusivamente a partir de baterias, na forma de corrente contínua.
Neste mesmo ano, o engenheiro inglês Sir Charles Algernon Parsons inventou um gerador de turbina a vapor, que era capaz de gerar grande quantidade de energia elétrica.

1886 – O eletricista americano William Stanley desenvolve o primeiro sistema elétrico de corrente alternada e apresenta o dispositivo Transformador.

1887 – O físico alemão Heinrich Hertz constrói um equipamento para gerar e detectar as ondas eletromagnéticas previstas por James Clerk Maxwell. Desta forma, ele se tornou a primeira pessoa a transmitir e receber ondas de rádio. Além disso, ele também descobriu o efeito fotoelétrico com esse mesmo experimento.

1888 – Novamente Nikola Tesla. Desta vez ele demonstrou o primeiro sistema de corrente alternada, o qual incluía unidades necessárias para produzir a eletricidade e seu uso, incluindo gerador, transformadores, sistema de transmissão, motor e lâmpadas. Os direitos de patente sobre esse sistema foram comprados por George Westinghouse.
Ainda nesse ano, Charles Brush foi o primeiro a empregar um grande moinho de vento para gerar eletricidade. Ele usava o moinho para carregar baterias no sótão de sua casa na cidade de Cleveland (estado de Ohio, EUA).

1890 – O primeiro trem subterrâneo (metrô) inicia sua operação em Londres (London Underground).

1895 – Inauguração da usina hidrelétrica das Cataratas do Niagara. No ano seguinte, ela já enviava energia elétrica para clientes na cidade de Buffalo, em Nova Iorque, a 32 km de distância.
Também neste ano, o físico alemão Wilhelm Roentgen descobre os Raios-X, ao realizar experimentos com tubos de raios catódicos.

1896 – A radioatividade natural é observada pela primeira vez pelo físco francês Antoine-Henri Becquerel.
O inventor italiano Guglielmo Marconi recebe a patente pela invenção do Rádio, equipamento que permitia a transmissão de sinais por meio de ondas eletromagnéticas.

1897 – O físico inglês Joseph John Thomson descobre o elétron.
O físico alemão Karl Braun inventa o Osciloscópio com Tubo de Raios Catódicos (CRT).

Joseph John Thomson

1898 – O engenheiro dinamarquês Valdemar Poulsen inventa o Telegraphone, um dispositivo magnético rudimentar projetado para gravar conversas telefônicas.
Ainda neste ano, o físico neo-zelandês Ernest Rutherford determina que os raios descobertos por Becquerel eram compostos por duas formas distintas de radiação, que ele batiza de raios Alfa e Beta.

1899 – A primeira bateria recarregável de níquel-cádmio é desenvolvida por Waldmar Jungner na Suécia.

1901 – O inventor americano Thomas Edison desenvolve a primeira bateria Níquel-Alcalina.

1905 – O físico alemão Albert Einstein formula a Teoria da Relatividade Especial, indicando que a eletricidade e o magnetismo são dois aspectos de um mesmo fenômeno.

1906 – O engenheiro americano Lee de Forest inventa o Audion, uma válvula termoiônica de três eletrodos, que viria a ser muito importante nos dispositivos eletrônicos do início do século.

1907 – O pesquisador de rádio britânico Henry Joseph Round, assistente de Marconi, descobre a emissão infravermelha chamada eletroluminescência do arseneto de gálio ao realizar experimentos com o material e um detetor a cristal.

Estrutura Molecular do Arseneto de Gálio

1908 – O físico alemão Hans Geiger desenvolve o primeiro Contador Geiger, dispositivo empregado para detectar e contar partículas de radiação.

1909 – Os exploradores australianos Douglas Mawson e Edgeworth David completam a primeira expedição bem-sucedida ao pólo magnético sul da Terra.

1912 – O físico alemão Max von Laue prova que os Raios-X possuem natureza eletromagnética.

1919 – O inventor americano Edwin Armstrong desenvolve o Circuito Superheteródino, que viria a ser largamente empregado na recepção, conversão e amplificação de ondas eletromagnéticas para transmissão de rádio e TV futuramente.

1929 – O Cabo Coaxial tem um pedido de patente requisitado pelos engenheiros americanos Herman Affel e Lloyd Espenschied.

1930 – São produzidos os primeiros ímãs de AlNiCo. O cientista alemão Hermann Kemper estuda o emprego de campos magnéticos em conjunção com trens e aviões.

1931 – É construído o primeiro Cyclotron, um tipo de acelerador de partículas circular, no qual as partículas subatômicas são aceleradas usando um campo elétrico alternado de alta frequência.

Cyclotron de 60 polegadas em Berkeley

1932 – O físico inglês James Chadwick descobre o Nêutron.
Ainda nesse ano, o físico americano Carl Anderson descobre o Pósitron, partícula com massa similar à do elétron, porém com carga positiva.

1934 – O inventor alemão Semi Joseph Begun constrói o primeiro gravador de fita magnética, usado para gravação de áudio.

1943 – É construído o primeiro computador eletrônico programável, pelo matemático inglês Professor Maxwell H. A. Newman, juntamente com o engenheiro, também inglês, Thomas H. Flowers.

1945 – O ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), primeiro computador totalmente eletrônico, é completado após três anos de desenvolvimento e construção nos EUA.

1947 – O Transistor semicondutor é inventado nos Laboratórios Bell pelos pesquisadores John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley.

1952 – Os primeiros ímãs de ferrite cerâmica são produzidos comercialmente.

1953 – O Circuito Integrado é inventado por Jack Kilby (Texas Instruments) e Robert Noyce (Fairchild Semiconductor), de forma independente.

1966 – Ímãs de terras raras começam a ser desenvolvidos no Laboratório de Materiais da Força Aérea dos EUA, por K. J. Stmat e G. Hoffer.

1968 – O primeiro computador pessoal começa a ser comercializado pela empresa HP. Na verdade, o computador, que era o HP9100A, foi comercializado como sendo uma calculadora, pois os consumidores acreditavam que para ser considerado um computador o equipamento deveria ter grandes dimensões!

Computador HP900A

1969 – Os cientistas americanos James R. Powell e Gordan T. Danby patenteiam o primeiro projeto de trens de levitação magnética (Maglev).

1970 – São desenvolvidas as primeiras células solares de arseneto de gálio pela equipe liderada por Zhores Alferov, na antiga União Soviética.

1972 – A segunda geração de ímãs de terras raras é desenvolvida pelos americanos Karl Strnat e Alden Ray.

1973 – Primeira demonstração da tecnologia de Imagem por Ressonância Magnética (MRI) nos Estados Unidos, por Paul Lauterbar.

1982 – A General Motors e a japonesa Sumitomo Special Metals desenvolvem os ímãs de Neodímio.

1988 – Físicos alemães e franceses descobrem o efeito da Magnetoresistência Gigante, resultante de efeitos do spin de elétrons em camadas artificiais de materiais magnéticos. Este efeito é crucial para o desenvolvimento de discos rígidos de computadores.

1991 – O governo da Alemanha certifica a operação do primeiro trem Maglev para uso público.

2000 – A primeira estação geradora de eletricidade a partir de ondas do mar, batizada de LIMPET (Land Installed Marine Powered Energy Transformer), começa a gerar eletricidade na ilha de Islay, na Escócia.

Referências

https://www.first4magnets.com/tech-centre-i61/information-and-articles-i70/history-of-electricity-magnetism-infographic-i148
https://nationalmaglab.org/education/magnet-academy/history-of-electricity-magnetism/timeline/1940-1959

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As ferrites são os principais materiais empregados na construção de núcleos para indutores e transformadores. Um núcleo de ferrite é usado para aumentar a permeabilidade magnética do meio ao redor do componente, desta forma aumentando significativamente a indutância do indutor.

Mas o que é ferrite exatamente? Veremos neste artigo.

Apresentação das Ferrites

Uma ferrite é, basicamente, uma material cerâmico magnetizável. São construídas a partir da mistura de diversas substâncias, na forma de um pó, submetidas a um processo que transforma essa mistura em um sólido com um formato desejado. As substâncias mais empregadas na fabricação de ferrites são os metais de transição, como Níquel, Zinco, Manganês, Cobalto e Ferro, entre outros, sendo o principal material o óxido de ferro Fe₂O₃.

Características gerais das ferrites

No geral, as ferrites possuem a fórmula XY₂O₄, onde X e Y representam metais variados. Exemplos incluem a ferrite de zinco, de fórmula ZnFe₂O₄, e a Magnetita (ferrite “natural”), de fórmula Fe₂O₄.
Algumas das características comuns das ferrites incluem:

• São não-condutivas
• São ferrimagnéticas
• Possuem níveis variados de coercividade
• Possuem baixo custo
• Resistentes à corrosão
• Difíceis de desmagnetizar
• São quebradiças (frágeis)

As primeiras ferrites foram fabricadas no Instituto de Tecnologia de Tóquio, em 1930.

Conta de Ferrite toroidal. Ilustração por Sandra Tamashiro.

Classificação das ferrites

São classificadas em dois tipos, de acordo com sua coercividade magnética:

• Ferrites “soft” – Materiais cuja magnetização pode ser facilmente revertida sem necessidade de muita energia para reverter sua polaridade, pois possuem baixa coercividade. Possuem alta resistência elétrica, de modo que as perdas por corrente de fuga (corrente de Foucault) são muito baixas. Encontram aplicação na fabricação de bobinas, transformadores e filtros de interferência. Possuem alta resistência à corrosão.

  Composição: Geralmente, as ferrites soft são compostas por uma mistura de óxidos de ferro, zinco, níquel ou manganês.

  Sua coercividade geralmente fica abaixo de 1 kA/m

• Ferrites “hard” – Material mais empregado na fabricação de ímãs permanentes, com alta coercividade. Conseguem reter a polaridade de sua magnetização quando o campo magnético onde estão inseridas é removido. Possuem alta resistência à corrosão.

  Composição: As ferrites hard são fabricadas com materiais como óxidos de ferro, bário e estrôncio. Seu custo é muito baixo, e podem ser encontradas em uma miríade de aplicações, incluindo os populares ímãs de geladeira, prendedores em portas de armários, brinquedos, motores, e tarjetas de cartões magnéticos, entre outros.

  Sua coercividade geralmente é maior do que 10 kA/m.

• Ferrites “semi-hard” – Fabricadas com Cobalto (CoFe₂O₄), possuem propriedades intermediárias entre as ferrites hard e soft. São muito empregadas na fabricação de sensores e atuadores eletrônicos.

Fabricação de uma Ferrite

As ferrites são fabricadas a partir da mistura dos materiais em pó, que são então moldados e aquecidos em um forno a temperaturas entre 1150°C e 1300°C (abaixo de seus pontos de fusão), em um processo denominado sinterização. Os átomos nas partículas de pó se difundem, fundindo-se em uma peça sólida.

Após sua fabricação, a ferrite pode ser colocada em um campo magnético externo para magnetização, dependendo de seu tipo e aplicação.

Permeabilidade da Ferrite

O parâmetro mais importante a se levar em consideração quando escolhemos uma ferrite é sua permeabilidade magnética. A permeabilidade da ferrite irá permitir que o indutor tenha uma indutância mais elevada do que se empregasse apenas um núcleo de ar.

A permeabilidade de uma ferrite pode variar enormemente de um tipo para outro, com níveis que podem variar desde 10 a quase 20.000 ou mais. É necessário consultar o datasheet da ferrite para ter acesso a esse e outros dados de parâmetros importantes, tais como a impedância em determinadas faixas de frequência, temperatura de operação e sua resistência DC (corrente contínua).

Aplicações das Ferrites

As ferrites possuem diversas aplicações em tecnologia, sendo seus usos mais comuns os seguintes:

• Eletrodomésticos
• Eletrônicos de consumo
• Eletrônica automotiva
• Telecomunicações
• Dispositivos de microondas
• Fontes de alimentação
• Aviônica
• Sintonizadores de Rádio Frequência
• Equipamentos de Som e amplificadores

e muitas outras.

No próximo artigo vamos falar sobre uma aplicação muito comum das ferrites: como um filtro para redução de EMI (interferência eletromagnética) e de RF, na forma de contas de ferrite.

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As contas de ferrite são empregadas em diversas áreas da Eletrônica, como um filtro para redução de interferência eletromagnética e de rádio frequência muito efetivo, e como componente para a supressão de ruídos, apesar de bem simples.

No geral, se tratam de um cilindro ou forma toroidal de ferrite, que é um material magnético cerâmico feito de óxido de ferro e outros componentes. O cabo que transporta sinais que devem ser filtrados é envolvido pela conta de ferrite, podendo ou não dar algumas voltas no componente.

Definição

Uma Conta de Ferrite (Ferrite Bead), também conhecida como Choque de Ferrite, é um dispositivo que lembra um indutor de núcleo de ferrite invertido. Não é sempre necessário enrolar um fio na conta de ferrite para aumentar a indutância. Em vez disso, um ou mais fios atravessam a conta de ferrite, passando por seu orifício ou abertura. Isso faz com que a indutância dos fios aumente.

Porém, diferentemente de um indutor comum, o qual pode alcançar praticamente qualquer valor de indutância de acordo com seu número de espiras, uma conta de ferrite possui uma faixa limitada de frequência sobre a qual a indutância pode ser afetada. No geral, essa faixa se encontra nos domínios da RF (radiofrequência).

A ferrite empregada é construída com materiais que tenham uma alta perda em determinadas frequências (geralmente altas frequências), de modo que a energia indesejada é dissipada como perda na ferrite, permitindo assim que o ruído seja absorvido de forma eficiente.

Conta de Ferrite toroidal. Ilustração por Sandra Tamashiro.

Porque precisamos de contas de ferrite?

Tomemos como exemplo um computador comum – um PC. Uma placa-mãe típica produz sinais de frequências elevadas, usando osciladores, que podem atingir de dezenas até milhares de MHz. Outros componentes no PC (como teclados e placas de vídeo) também possuem seus próprios osciladores, todos gerando sinais de frequência elevada, que são importantes para seu funcionamento.

O problema é que esses sinais podem ser transmitidos como ondas de rádio, sendo captados pelos cabos que conectam periféricos à máquina, os quais agem como antenas. E é aí que se encontra o grande problema- os cabos que carregam sinais de áudio e vídeo podem sofrer interferência eletromagnética desses sinais, prejudicando a transmissão de dados do equipamento.

Uma conta de ferrite ao redor desses cabos pode resolver esse problema, pois absorve sinais em faixas de frequência específicas, funcionando como um filtro de sinais.

Em frequências baixas, as contas de ferrite funcionam como um indutor normal, pois possuem uma alta permeabilidade e, assim, resultam em indutores de alta densidade.

Porém, conforme a frequência do sinal aumenta, as perdas por corrente de fuga (eddy current / corrente de Foucault) também aumentam. Assim, as perdas resistivas aumentam significativamente a partir de determinados valores de frequência, dependendo do tipo de ferrite. Por conta disso, uma conta de ferrite se torna ideal para filtragem de interferência eletromagnética. Os sinais de alta frequência podem ser dissipados na forma de perdas resistivas, sendo dissipados na forma de calor, em vez de serem transmitidos pelo circuito.

Fio de Cobre atravessando uma Conta de Ferrite. Ilustração por Sandra Tamashiro.

Em frequências muito elevadas, como acima de cerca de 500 MHz (depende da ferrite), a auto-capacitância do indutor começa a se manifestar, e a reatância capacitiva tem um efeito pronunciado, de modo que sinais de frequência elevada podem conseguir atravessar o indutor.

O gráfico a seguir mostra os níveis de impedância de contas de ferrite em relação à frequência, em MHz, que as atravessam. Note que em altas frequências a impedância possui valores elevados, ao passo que em baixas frequências a impedância é extremamente baixa, se aproximando de zero.

Gráfico de Impedância de Contas de Ferrite. Fonte: Murata Manufacturing

Aplicações das contas de ferrite

As contas de ferrite são comumente instaladas em cabos que podem irradiar energia em RF, como cabos de monitores de computadores, lâmpadas fluorescentes, motores e outros. Com a conta posicionada corretamente, a radiofrequência não é mais irradiada, sendo em vez disso absorvida pela ferrite e convertida em calor. Essa é uma aplicação muito importante das contas de ferrite, pois a RF pode interferir em diversos tipos de equipamento eletrônicos, tais como televisores, rádios, equipamentos de áudio, e outros.

Outra aplicação das contas de ferrite é em cabos de entrada de equipamentos receptores, de modo a prevenir que RF gerada externamente entre no circuito e contamine os sinais que trafegam pelos cabos.

Podem ser empregadas também para reduzir a interferência em um componente eletrônico específico, como um transistor, sendo neste caso inserida na própria placa de circuitos, envolvendo um ou mais terminais do componente em questão.

Formatos de Contas de Ferrite

As contas de ferrite podem ser encontradas em vários formatos, como:

Contas de Ferrite “tradicionais” – Disponíveis em vários tamanhos. Neste tipo, o fio por onde trafega o sinal a ser filtrado passa por dentro da ferrite, dando duas ou três voltas (às vezes só passam direto). Quando a corrente passa pelo condutor, é gerado um fluxo magnético na ferrite, que passa então a funcionar como um indutor.

Conta de Ferrite Toroidal. Fabricante: Fair-Rite

Contas de Ferrite SMD – Outro formato comum é o de montagem de superfície. Neste formato, o componente SMD inclui a ferrite e a bobina em um mesmo invólucro, ou ainda um fio condutor de sinais simplesmente atravessa uma conta ficada diretamente na placa de circuito impresso.

Contas de Ferrite SMD

Contas de Ferrite “Clamp” – Nem sempre é possível enrolar o cabo de sinais na conta de ferrite, e às vezes o cabo é muito grosso (ou possui uma ponta muito grossa). Nestes casos, é possível usar uma conta de ferrite em forma de grampo, que se fecha sobre o cabo a ser protegido. Um exemplo clássico dessa abordagem são os cabos de vídeo usados em monitores de computador.

Conta de Ferrite do tipo Clamp

Referências

• Carr, J. J. RF Components and Circuits. Editora Newnes. 1ª Edição, 2002.
• Murata Manufacturing. Basics of Noise Countermeasures [Lesson 4] Chip ferrite beads. https://www.murata.com/products/emiconfun/emc/2011/06/14/en-20110614-p1. Acesso em 09/01/2020

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